VI Zbieżność ciągów i szeregów funkcji [około 2 wykładu]. O różnych pojęciach zbieżności ciągu funkcji W II i III rozdziale zajmowaliśmy się zbieżnością ciągów i szeregów liczbowych. Ale czy można mówić o zbieżności w przypadku ciągów, których wyrazami są nie liczby lecz funkcje (takie ciągi nazywamy ciągami funkcyjnymi)? No cóż, o tym że można, świadczy choćby tytuł tego rozdziału. Co więcej, w odróżnieniu od sytuacji jaką mieliśmy dla ciągów liczbowych, poznamy nie jeden, ale dwa, a właściwie nawet trzy rodzaje zbieżności ciągów funkcyjnych. Zbieżność punktowa Niech f, f n : D R 95) dla n n 0. Naturalne wydaje się określenie, że ciąg funkcyjny {f n } jest zbieżny do funkcji f wtw x D f n (x) f(x). (VI.) Taki rodzaj zbieżności nazywamy zbieżnością punktową i oznaczamy symbolem 96) f n f. A zatem f n f wtw zachodzi (VI.). Gdy taka zbieżność zachodzi, to funkcję f nazywamy granicą ciągu {f n }, mówimy o niej także granica punktowa. Oczywiście, jeśli granica ta istnieje, to jest ona wyznaczona jednoznacznie (bo mamy taką jednoznaczność dla ciągów liczbowych {f n (x)}). Przyjrzyjmy się nieco głębiej punktowej zbieżności. Gdy skorzystamy z definicji granicy ciągu liczbowego {f n (x)} n n0, to powyższą definicję możemy w sposób równoważny zapisać w postaci x D ɛ>0 N n0 n N f n (x) f(x) <ɛ (VI.2) W warunku (VI.2) indeks N możemy zatem dobierać w sposób zależny zarówno od ɛ jak i od x D. Zbieżność jednostajna Gdy przypomnimy sobie pojęcie ciągłości jednostajnej (patrz podrozdział IV.3) oraz to, co odróżnia jej definicję od definicji zwykłej ciągłości, naturalny wyda nam się pomysł, by zmodyfikować warunek (VI.2) i dopuścić jedynie jednostajny po x (tzn., taki sam dla wszystkich x, niezależny od x) dobór N do ɛ. Otrzymamy wtedy warunek następujący 97) ɛ>0 N n0 n N x D f n (x) f(x) <ɛ (VI.3) 95) Na ogół w tym rozdziale D oznacza dziedzinę rozważanych funkcji; zazwyczaj będziemy tak przyjmować bez przypominania. 96) Ten zapis przy pomocy jest nieco dwuznaczny, bo tego samego symbolu używaliśmy przy rozważaniu granicy ciągu liczbowego (choćby przed chwilą, w (VI.)). 97) Pamiętajmy o tym, że sąsiadujące ze sobą kwantyfikatory ogólne możemy przestawiać dotyczy to zarówno (VI.2) jak i (VI.3). Zmianą istotną jest dopiero przestawienie i. 97 [VI.]
(patrz rys. 3 wykres f n dla wszystkich n N jest zawarty cały w pasie pomiędzy f ɛ a f + ɛ). I takim właśnie warunkiem definiujemy drugi rodzaj zbieżności zbieżność jednostajną, którą oznaczamy symbolem f n f. Tzn., f n f wtw zachodzi (VI.3). Przy tej zbieżności, o funkcji granicznej f mówimy często granica jednostajna. f n f + ɛ f f ɛ Rysunek 3. Wykres f n jest cały zawarty w pasie pomiędzy f ɛ a f + ɛ. Uwagi. a. Zbieżność jednostajna to lepszy rodzaj zbieżności, tzn., f n f f n f (implikacji w przeciwną stronę nie ma przykład będzie niedługo). W szczególności granica jednostajna jest więc też granicą punktową. 2. Granica jednostajna, jeśli istnieje dla danego ciągu funkcyjnego, to jest wyznaczona jednoznacznie. Wystarczy użyć uwagę. oraz jednoznaczność dla granicy punktowej. Norma supremum i wygodne kryterium zbieżności jednostajnej W warunku (VI.3), ze względu na dowolność ɛ> 0, nierówność < ɛ można oczywiście zastąpić przez ɛ. Korzystając teraz z definicji kresu górnego możemy ten warunek zapisać równoważnie w postaci ɛ>0 N n0 n N sup f n (x) f(x) ɛ, 98) x D co (analogicznie jak przed chwilą) równoważne jest warunkowi z < ɛ, a to z kolei oznacza dokładnie, że lim f n (x) f(x) ) =0 (sup n + x D czyli, że ciąg liczbowy 99) {sup x D f n (x) f(x) } n n0 ma granicę 0. Jeżeli więc dla g : D R oznaczymy g := sup g(x), x D to na mocy powyższych rozwazań możemy sformułować następujące zwięzłe kryterium. 98) Symbol sup x X g(x) to skrót (wygodny) od sup{g(x) R : x X}. 99) Ściślej, ciąg ten ma wyrazy w R (może zdarzyć się + ), ale definicja granicy dla tego typu ciągów przenosi się w sposób oczywisty. 98 [VI.2]
Fakt. f n f wtw f n f 0. Jest to wygodna alternatywna definicja zbieżności jednostajnej, bowiem sprowadza ona problem do badania zbieżności pewnego ciągu liczbowego. Symbol używany jest do oznaczania normy, czyli wielkości wyrażającej w jakimś sensie długość wektorów tu tymi wektorami są funkcje o wartościach w R 00). Można definiować rozmaite normy ta konkretna tu zdefiniowana bywa nazywana normą supremum i czasem oznacza się ją przez. Każda norma musi spełniać kilka warunków (o tym wspomnimy jeszcze w przyszłości...) i wybierając jakąś normę zawsze możemy w sposób taki jak wyżej zdefiniować pewien nowy rodzaj zbieżności. My jednak teraz zadowolimy się tą jedną 0) normą. Obie zbieżności w prostym przykładzie Przykład. Niech D R i f n : D R niech będą zadane wzorem f n (x) = x n dla x D i n N. Rozważymy parę rozmaitych dziedzin D. Jednak ponieważ x R x n 0, zatem niezależnie od wyboru D mamy f n 0, gdzie tym razem 0 nie oznacza liczby 0 lecz funkcję stałą równą 0 (przypominam też dwuznaczny sens użytej tu przed chwilą w dwóch różnych znaczeniach... ). A zatem jeżeli również f n f dla pewnej funkcji f, to na mocy uwagi i 2 jedynym kandydatem na f jest także f = 0. Niech D = R. Mamy wtedy f n 0 = f n = sup x =+ 0, x R n zatem f n 0, czyli {f n } nie jest ciągiem funkcyjnym zbieżnym jednostajnie! Teraz rozważmy D =[ 5; 7]. Wówczas f n 0 = n sup x = 7 x [ 5;7] n 0, zatem f n 0 w tym przypadku. Nietrudno uogólnić to na przypadek dowolnego ograniczonego zbioru D wówczas również f n 0, gdyż M D := sup x D x < +, skąd f n 0 = n M D 0. A zatem by nasz ciąg {f n } n był zbieżny jednostajnie zbiór D nie może być zbyt duży. Np. D = R był za duży na zbieżność jednostajną, ale ciąg {f n } n był jednostajnie zbieżny dla D będącego dowolnym przedziałem [a; b]. Zbieżność niemal jednostajna Powyższy przykład sugeruje wprowadzenie jeszcze jednego rodzaju zbieżności. Będzie on dotyczył tylko funkcji określonych na przedziałach 02). Będzie to tzw. zbieżność niemal jednostajna, którą będziemy oznaczać symbolem f n f. Jeśli f, f n : I R, gdzie I przedział, to f n f wtw a,b I (f n ) (f ). 00) Wektory to po prostu elementy przestrzeni liniowej, w naszym wypadku chodzi o przestrzeń wszystkich funkcji f : D R z naturalnymi działaniami. 0) Tak naprawdę nie jedną, bo każdy zbiór D wyznacza inną normę supremum, mierzącą funkcje określone na zbiorze D. W razie potrzeby odróżnienia możemy np. używać oznaczenia D. 02) Można to też uogólnić na funkcje określone na innych zbiorach, ale tu nie będziemy się tym zajmować. 99 [VI.3]
Już samo oznaczenie sugeruje, że ten rodzaj zbieżności jest gdzieś pomiędzy zbieżnością punktową a jednostajną, tzn. że f n f f n f f n f (np. dla dowodu drugiej implikacji wystarczy rozważać sytuację gdy a = b). Przykład takiej sytuacji, że {f n } n jest zbieżny niemal jednostajnie, ale nie jednostajnie uzyskamy biorąc D = R w przykładzie powyżej. Oczywiście, także przy tym rodzaju zbieżności granica jest zdefiniowana jednoznacznie i może być nią jedynie granica punktowa. Może się zdarzyć, że to nowe pojęcie zbieżności nie wnosi jednak nic naprawdę nowego. Tak będzie np. wtedy, gdy I samo jest już przedziałem domkniętym wtedy zbieżność jednostajna i niemal jednostajna są tym samym. Dla wprowadzonych tu różnych rodzajów zbieżności ciągów funkcyjnych można sformułować nieco twierdzeń analogicznych do odpowiednich twierdzeń dotyczących ciągów liczbowych np. do twierdzenia o rachunkowych własnościach granicy, w przypadku zbieżności punktowej. Nie wszystko jednak przenosi się automatycznie przy innych rodzajach zbieżności. Dla zbieżności jednostajnej, jedną z takich ważnych analogii jest odpowiednik twierdzenia o zupełności II.7, w którym zamiast zwykłego warunku Cauchy ego pojawia się jednostajny warunek Cauchy ego. Sprawę tę jednak odkładamy do zadań (patrz zadanie VI.5). 2. Szeregi funkcyjne Trzy rodzaje zbieżności szeregów funkcyjnych Niech f n : D R dla n n 0. Szereg funkcyjny + n=n0 f n określamy zupełnie analogicznie jak w przypadku szeregów liczbowych. Utożsamiamy go bowiem z ciągiem sum częściowych {S n } n n0, który jest w tej sytuacji ciągiem funkcyjnym, przy czym n S n := f k dla n n 0. k=n 0 Definicja każdego z trzech rodzajów zbieżności (punktowej, jednostajniej i niemal jednostajnej) w odniesieniu do szeregu funkcyjnego jest, jak łatwo się domyślić, następująca: + n=n0 f n jest zbieżny punktowo/jednostajnie/niemal jednostajnie wtw {S n } n n0 jest zbieżny (odpowiednio) punktowo/jednostajnie/niemal jednostajnie. Sumą szeregu funkcyjnego nazywa się granicę punktową ciągu {S n } n n0 (o ile istnieje). Punktowa zbieżności szeregu funkcyjnego + n=n0 f n to, jak natychmiast widać, po prostu zbieżność szeregu liczbowego + n=n0 f n (x) dla wszystkich x z dziedziny funkcji f n (wspólnej dla wszystkich n). Jednak badanie zbieżności jednostajnej lub niemal jednostajnej szeregów nie jest już tak proste... Inne spojrzenie na szeregi potęgowe Poznane w IV rozdziale szeregi potęgowe też można utożsamiać z pewnymi szeregami funkcyjnymi. W rozdziale IV szeregiem potęgowym nazywaliśmy rodzinę szeregów liczbowych postaci + n=0 a n (x x 0 ) n rozważanych dla wszystkich x R. Jednak zamiast mówić o rodzinie szeregów liczbowych, możemy wyrazy tego szeregu potraktować jako funkcje zmiennej x. Tzn. będziemy mieli tu do czynienia z szeregiem funkcyjnym + n=0 f n, gdzie funkcje f n : R R są dla n 0 zadane wzorami f n (x) =a n (x x 0 ) n dla x R. Tak właśnie będziemy rozumieli pojęcie szeregu potęgowego w tym rozdziale. Gdy obetniemy szereg potęgowy do jego zbioru zbieżności, to, na mocy samej definicji tego zbioru, otrzymamy szereg funkcyjny zbieżny punktowo. Jak wkrótce zobaczymy, można jednak uzyskać znacznie więcej... 00 [VI.4]
Warunek konieczny zbieżności jednostajnej szeregów funkcyjnych Jak wspominaliśmy, badanie zbieżności jednostajnej szeregów funkcyjnych bywa sprawą w praktyce niełatwą. Jednak pewne warunki konieczne bywają dość łatwe do sprawdzenia. Sformułujemy najbardziej popularny z takich warunków. Twierdzenie VI. (o warunku koniecznym zbieżności jednostajnej szeregów). Jeżeli + n=n0 f n jest jednostajnie zbieżny, to f n 0. Jak widać, jest to analog twierdzenia o warunku koniecznym zbieżności szeregu liczbowego zresztą dowód jest także nieco podobny... Dowód. Niech S n := n k=n0 f k dla n n 0. Dla pewnej funkcji F zachodzi S n F 0, a zatem także S n F 0. Stąd mamy dla n n 0 + 0 f n = S n S n = (S n F )+(F S n ) S n F + F S n, (VI.4) przy czym ostatnia nierówność to konsekwencja następującego lematu. Lemat (nierówność trójkąta dla ). f + g f + g. Dowód lematu. a Wystarczy użyć zwykłej nierówności trójkąta (dla modułu ) oraz definicji kresu górnego. Teraz z (VI.4) i z twierdzenia o trzech ciągach otrzymujemy f n 0, czyli f n 0. Oczywiście istnieje wiele innych warunków koniecznych zbieżności jednostajnej szeregu funkcyjnego. Np. takim warunkiem koniecznym jest oczywiście jego punktowa zbieżność. Warunek dostateczny i kryterium Weierstrassa Kolejne twierdzenie daje pewien wygodny warunek dostateczny. Przypomina ono nieco twierdzenie o zbieżności szeregu liczbowego bezwzględnie zbieżnego. Twierdzenie VI.2 (warunek dostateczny zbieżności jednostajnej). Jeżeli szereg liczbowy + n=n0 f n jest zbieżny, to + n=n0 f n jest jednostajnie zbieżny. Dowód pominiemy, ale warto wiedzieć, że nietrudno go uzyskać w oparciu o wspominany (lecz nie wypisany...) niedawno jednostajny warunek Cauchy ego zachęcam do samodzielnych prób dowodu. Zauważmy, że sformułowany wcześniej warunek konieczny, tzn. f n 0 jest też warunkiem koniecznym dla warunku dostatecznego tzn. dla + n=n0 f n < +. Uwaga. Przyjrzyjmy się trochę praktycznej skuteczności obu powyższych twierdzeń. Rozważmy więc ciąg { f n } n n0. Są trzy możliwości:. f n 0 wówczas + n=n0 f n nie jest jednostajnie zbieżny na mocy twierdzenia VI.. 2. f n 0, ale + n=n0 f n =+ wówczas powyższe twierdzenia nie dają nic. 3. + n=n0 f n < + wtedy + n=n0 f n jest jednostajnie zbieżny na mocy twierdzenia VI.2. 0 [VI.5]
A zatem mamy poważną lukę w praktycznej użyteczności powyższych twierdzeń, opisaną możliwością 2. Co robić gdy na taką sytuację natrafimy? Ogólnej recepty nie ma trzeba każdy taki przypadek badać indywidualnie. Czasem jednak ratunek jest banalny: warto sprawdzić czy + n=n0 f n jest w ogóle punktowo zbieżny jeśli nie, to tym bardziej nie może być zbieżny jednostajnie. Przykład takiej sytuacji, to + x n=, rozważany dla x [0; ] (tzn. n f n : [0; ] R,f n (x) = x). Mamy wówczas f n n = 0, ale + n n= f n = + =+. n= n Jednak tu brak zbieżności punktowej, bo szereg liczbowy + x n= jest zbieżny jedynie dla x = 0. n Sformułujemy teraz często stosowany wniosek z twierdzenia VI.2. Wniosek (kryterium Weierstrassa). Jeżeli istnieje ciąg liczbowy {c n } n n0 taki, że n n0, x D f n (x) c n (VI.5) oraz + n=n0 c n jest zbieżny, to + n=n0 f n jest jednostajnie zbieżny Dowód. Na mocy (VI.5) i definicji normy supremum oraz definicji kresu górnego, dla dowolnego n n 0 mamy 0 f n c n, a zatem z kryterium porównawczego + n=n0 f n zbieżny. Teza wynika więc z twierdzenia VI.2. Zbieżność niemal jednostajna szeregów potęgowych Jednym z zastosowań powyższego kryterium jest ważny wynik dotyczący szeregów potęgowych. Niech R będzie promieniem zbieżności szeregu potęgowego + n=0 a n (x x 0 ) n. Poniżej funkcje będące jego wyrazami rozważamy jedynie na otwartym przedziale jego zbieżności tzn. na Z 0 := (x 0 R; x 0 + R) (czyli funkcje te obcinamy do Z 0 ). Fakt. Szereg potęgowy jest niemal jednostajnie zbieżny w swoim otwartym przedziale zbieżności 03). Dowód. Oczywiście możemy ograniczyć się do przypadku x 0 = 0. Dla dowodu niemal jednostajnej zbieżności powinniśmy dowodzić zbieżność jednostajną szeregu powstałego po obcięciu odpowiednich funkcji do dowolnego przedziału [a; b] zawartego w ( R; R). Wystarczy więc rozważać a = r i b = r, gdzie 0 r < R. Ale dla dowolnego x [ r; r] in 0 mamy a n x n a n r n = a n r n, a szereg + n=0 a n r n jest zbieżny, gdyż r ( R, R) a szereg potęgowy jest bezwzględnie zbieżny w otwartym przedziale zbieżności (patrz np. lemat ze strony 60). A zatem potrzebna nam zbieżność jednostajna wynika z kryterium Weierstrassa. 3. Własności granic ciągów i szeregów funkcyjnych Zajmiemy się tu pytaniem: Jakie własności wyrazów ciągu (ewentualnie szeregu) funkcyjnego przenoszą się na jego granicę? Ściślej zajmiemy się głównie ciągłością i różniczkowalnością. Nietrudno znaleźć przykłady pokazujące, że żadna z tych własności nie zachowuje się przy zbieżności punktowej (zadanie VI.7). 03) Zbieżność niemal jednostajna w całym przedziale zbieżności też zachodzi, ale dowód tego jest już subtelniejszy... 02 [VI.6]
Ciągłość granicy jednostajnej i niemal jednostajnej Zaczniemy od problemem ciągłości. Twierdzenie VI.3 (o ciągłości granicy). Jeżeli funkcje f n są ciągłe dla n n 0 oraz f n f, to f jest ciągła. Czyli krótko: granica jednostajna ciągu funkcji ciągłych jest ciągła. Dowód. Wykażemy ciągłość f w dowolnym punkcie x D. Niech x n D, x n x. Musimy wykazać, że f(x n ) f(x). Mamy f(x n ) f(x) = (f(x n ) f k (x n )) + (f k (x n ) f k (x)) + (f k (x) f(x)) f(x n ) f k (x n ) + f k (x n ) f k (x) + f k (x) f(x) 2 f f k + f k (x n ) f k (x) (VI.6) dla dowolnych n i k. Niech ɛ> 0. Ponieważ f n f 0, zatem dobierzmy k n 0 takie, że f k f < ɛ 3. Ponieważ f k jest ciągła w x 0, zatem dobierzmy takie N, że f k (x n ) f k (x) < ɛ 3 dla dowolnego n N. Wówczas korzystając z (VI.6) dla dowolnego n N mamy f(x n ) f(x) < 2 3 ɛ + ɛ 3 = ɛ. Ponieważ ciągłość jest własnością lokalną, zatem prostą konsekwencją powyższego twierdzenia jest podobny wynik dotyczący zbieżności niemal jednostajnej. Wniosek. Jeżeli funkcje f n są ciągłe dla n n 0 oraz f n f, to f jest ciągła. Uwaga. Wniosek ten pozwala nam m.in. przedstawić alternatywny dowód części twierdzenia o ciągłości sumy szeregu potęgowego (twierdzenie IV.4) części dotyczącej ciągłości w otwartym przedziale zbieżności. Wystarczy bowiem skorzystać z udowodnionego niedawno faktu o niemal jednostajnej zbieżności dla takiego szeregu (strona 02). Różniczkowalność granicy Niestety sprawa różniczkowalności funkcji okazuje się być bardziej złożona niż sprawa ciągłości. Analog twierdzenia VI.3 dla różniczkowalności nie jest bowiem prawdziwy. Łatwo się o tym przekonać konstruując odpowiednio przybliżenia funkcji (nieróżniczkowalnej w 0) funkcjami różniczkowalnymi proszę samodzielnie wykonać tę konstrukcję w oparciu o rysunek 4. 2n n n Rysunek 4. Nieróżniczkowalną funkcję można łatwo przybliżyć jednostajnie funkcjami różniczkowalnymi poprzez zaokrąglanie kantu... Sprawa różniczkowalności granicy nie jest jednak całkiem beznadziejna, można bowiem wykazać twierdzenie następujące. Twierdzenie VI.4 (o różniczkowalności granicy). Jeżeli f n, f, g : I R, gdzie I jest przedziałem oraz funkcje f n są różniczkowalne i spełnione są warunki:. f n f, 03 [VI.7]
2. f n g, to f też jest różniczkowalna oraz f = g. B.D. A zatem dla różniczkowalności granicy potrzebna jest nie tyle jednostajna zbieżność samego ciągu {f n }, co raczej ciągu pochodnych: {f n}. Uwaga. W powyższym twierdzeniu w punkcie 2. wystarczy zakładać zbieżność niemal jednostajną. Wynika to (podobnie jak w wypadku kwestii ciągłości patrz uwaga po twierdzeniu VI.3) z tego, że różniczkowalność jest pojęciem lokalnym. Uwaga 2. Zarówno twierdzenie VI.3 jak i twierdzenie VI.4 mają swoje odpowiedniki dla szeregów funkcyjnych (proszę je sformułować samodzielnie, jako proste ćwiczenie). Związane jest to z faktem, że zarówno ciągłość jak i różniczkowalność zachowują się przy dodawaniu funkcji, a zatem odpowiednie ciągi sum częściowych będą się składać z funkcji ciągłych, ewentualnie różniczkowalnych, o ile to samo założymy o wyrazach szeregu funkcyjnego. W przypadku różniczkowania takie twierdzenie dotyczące szeregów nazywane jest twierdzeniem o różniczkowaniu szeregu wyraz po wyrazie i jego teza zapisywana bywa w formie (nieco nieścisłej...) ( + ) + f n = f n. n=n 0 n=n 0 Różniczkowanie sumy szeregu potęgowego Wniosek. Szereg potęgowy można w otwartym przedziale zbieżności różniczkować wyraz po wyrazie. Tzn., jeżeli S jest sumą szeregu potęgowego + n=0 a n (x x 0 ) n oraz Z 0 jest jego otwartym przedziałem zbieżności, to dla x Z 0 funkcja S jest różniczkowalna w x oraz S (x) = + n=0 (a n (x x 0 ) n ) = + n= na n (x x 0 ) n = W szczególności S jest klasy C w otwartym przedziale zbieżności. + n=0 (n + )a n+ (x x 0 ) n. Dowód. Na mocy uwagi wystarczy tu dowieść, że szereg potęgowy + n=0 (n + )a n+ (x x 0 ) n jest w Z 0 zbieżny niemal jednostajnie. A to z kolei wynika z faktu o niemal jednostajnej zbieżności szeregu potęgowego (ze str. 02) oraz z poniższego prostego lematu, który pozostawiam do dowodu Czytelnikom. Lemat. Promienie zbieżności szeregów + n=0 a n (x x 0 ) n i + n=0 (n + )a n+ (x x 0 ) n są równe. Uwaga. W oparciu o powyższy wniosek łatwo można udowodnić fakt ze strony 89 (mówiący o tym, że rozwinięcie w szereg potęgowy jest szeregiem Taylora dla sumy tego szeregu potęgowego). A oto jeszcze jeden przykład zastosowania różniczkowania wyraz po wyrazie. Przykład (funkcja ζ 04) + Riemanna). Jak wiemy, dla dowolnego x> szereg n= n x jest zbieżny. Zdefiniujemy zatem funkcję ζ : (; + ) R wzorem ζ(x) := + n= n x. Nietrudno wykazać (zadanie VI.0), że funkcja ta jest n-krotnie różniczkowalna przy dowolnych n, tzn. że ζ C ((; + )). 04) Czytaj dzeta. 04 [VI.8]
4. Aproksymacja 05) funkcji ciągłych W matematyce i jej zastosowaniach często zamiast danej funkcji f wygodnie jest rozważać jakieś jej przybliżenia funkcjami należącymi do pewnej określonej klasy funkcji. Jaki to rodzaj przybliżenia i jaka klasa funkcji aproksymujących to zależy już od konkretnej sytuacji. Możliwość znajdowania tego typu przybliżeń gwarantują różne tzw. twierdzenia o aproksymacji, czyli po prostu twierdzenia, które mówią, że dla funkcji f istnieje ciąg funkcyjny {f n } złożony z funkcji odpowiedniej klasy zbieżny w odpowiednim sensie do f. Sformułuję tu tylko jedno takie twierdzenie dotyczące aproksymacji funkcji ciągłej wielomianami. Twierdzenie VI.5 (Weierstrassa). Każda funkcja ciągła na przedziale domkniętym jest granicą jednostajną ciągu wielomianów. B.D. Twierdzenie to jest szczególnym przypadkiem dużo bardziej abstrakcyjnego twierdzenia Stone a Weierstrassa. Twierdzeniem podobnym do VI.5 jest twierdzenie o aproksymacji funkcji ciągłych funkcjami kawałkami liniowymi (ściślej: afinicznymi...) patrz zadanie VI.3. Warto też wiedzieć o tym, że jest bardzo wiele różnych twierdzeń o aproksymacji, które dotyczą rozmaitych zbieżności (niekoniecznie spośród trzech rodzajów tu poznanych) oraz rozmaitych funkcji (niekoniecznie ciągłych). Np. dla wielu zastosowań ważne są rozmaite wyniki dotyczące aproksymacji tzw. wielomianami trygonometrycznymi, co jest ściśle związane z nieobecną w tym wykładzie teorią szeregów Fouriera. 05) Aproksymacja = przybliżanie. 05 [VI.9]
Zadania do Rozdziału VI 06). Zbadaj zbieżność punktową, jednostajną, niemal jednostajną ciągów funkcyjnych {f n } zadanych poniższymi wzorami: 07) 2. (a) x n (.) dla x [0; ]; (2.) dla x [0; ); (b) x n x n+ dla x [0; ]; (c) x n x 2n dla x [0; ]; (d) (e) n+x nx +n+x dla x (0; + ); dla x [0; + ); (f) sin( x ) dla x R; n (g) arctg(nx) dla x R; (h) x arctg(nx) dla x R. Zbadaj zbieżność punktową, jednostajną, niemal jednostajną szeregów funkcyjnych zadanych następującymi wzorami: (a) + n= x n 2 dla x R; (b) + n= x 2 n 4 +x 4 dla x R; (c) + sin(n 2 x) n= dla x R; n 2 +x 2 (d) + n=0 x 2 e nx dla x (0; + ); (e) + n=0 xe nx dla x (0; + ); (f) + n=0 e nx dla x (0; + ); (g) + sin( x n= ) dla x [ 00; 00]; n n (h) + n= ( ) n n+x dla x [0; + ). 3. Zbadaj, które z poniższych twierdzeń dotyczących zbieżności jednostajnej są rzeczywiście twierdzeniami (tu f, f n, g, g n : D R): (a) f n f oraz A D, to f n A f A. (b) A B = D oraz f n A f A i f n B f B, to f n f. (c) f n f oraz g n g, to (f n + g n ) f + g. (d) f n f oraz g n g, to (f n g n ) f g. Zbadaj analogiczne twierdzenia dotyczące oraz. 4. Wykaż, że jeśli f n f, to f n f (także, gdy f =+ ). 5. Po uważnej lekturze odpowiednich fragmentów wykładu odgadnij, napisz i zapisz w równoważnej postaci z użyciem jednostajny warunek Cauchy ego dla ciągów funkcyjnych. Następnie sformułuj i udowodnij jednostajny odpowiednik twierdzenia II.7 (o zupełności...). 6. W oparciu o twierdzenie wykazane w zadaniu powyższym udowodnij twierdzenie o warunku dostatecznym zbieżności jednostajnej dla szeregu funkcyjnego (tw. VI.2). 06) Przynajmniej 2 przykłady z a) e) i jeden z f) h). 07) Przynajmniej 2 przykłady. 06 [VI.0]
7. Znajdź przykłady ciągów funkcyjnych pokazujące, że przy zbieżności punktowej ani ciągłość ani różniczkowalność nie muszą się zachowywać (przy przejściu do granicy ). 08) 9. 8. Wykaż, że wypukłość funkcji zachowuje się przy zbieżności punktowej (!!). Zbadaj ciągłość i różniczkowalność funkcji f, w przypadku różniczkowalności zbadaj znak f (0). (a) f(x) = + n= sin(nx) n 3 dla x R; (b) f(x) = + n= arctg( x n 2 ), x R; (c) f(x) = + n= (cos x ), x R. n 0. Wykaż, że (patrz przykład ze strony 04):. (a) ζ C ((; + )); (b) ζ C ((; + )). Oblicz sumy szeregów: (a) + n n=0 ; 2 n (b) + n= 3 n n ; (c) + n=0 n 2 7 n. 2. Znajdź f (n) (0): (a) f(x) = 2+3x 2 dla x R, n = 00. (b) f(x) = arctg x dla x R; n = 999,n= 000. x (c) f(x) = dla x ( ; ); n = 00. Wskazówka: zapisz f(x) jako A (x 2)(x 3) dla pewnych A, B R. + B x 2 x 3 3. Funkcja g :[a; b] R jest kawałkami liniowa wtw istnieją liczby a 0 a a k takie, że a 0 = a, a k = b oraz f [aj ;a j ] jest wielomianem stopnia dla dowolnego j =,..., k. Wykaż, że każda funkcja ciągła określona na przedziale domkniętym jest granicą jednostajną ciągu funkcji kawałkami liniowych. 08) Przynajmniej jeden przykład. 07 [VI.]
VII Rachunek całkowy [około 3 wykładów]. Całka nieoznaczona W tym podrozdziale zajmiemy się operacją odwrotną do różniczkowania. Niech f : D R, D R. Każdą funkcję F : D R taką, że F = f nazywamy funkcją pierwotną funkcji f. Druga nazwa na funkcję pierwotną to całka nieoznaczona. Istnienie i (nie)jednoznaczność Oczywiście nie każda funkcja f posiada funkcję pierwotną, np. łatwo sprawdzić, że nie posiada jej funkcja f : R R zadana wzorem { 0 x 0 f(x) = x>0 (dlaczego?). Co więcej, nawet jeśli istnieje funkcja pierwotna jakiejś funkcji, to nie jest ona wyznaczona jednoznacznie. Na szczęście, dla funkcji określonych na przedziale ta niejednoznaczność nie jest duża. Fakt. Jeżeli I przedział, f : I R oraz F jest funkcją pierwotną funkcji f, to F : I R jest funkcją pierwotną f wtw F = F + C dla pewnej funkcji stałej C. Dowód. Oczywiście (F + C) = F = f. Jeżeli F = f, to (F F ) = f f = 0 zatem F F jest stała, bo I przedział (patrz wniosek ze strony 77). Oczywiście, gdy dziedzina funkcji nie jest przedziałem, to ta niejednoznaczność może być większa, np. dla funkcji zadanej wzorem okreśonej na R\{0} funkcje pierwotne to wszystkie x funkcje postaci: { c dla x<0 f(x) = ln x + dla x>0, gdzie c,c 2 R. Pojawia się naturalne pytanie: dla jakich funkcji całka nieoznaczona w ogóle istnieje? W następnym podrozdziale wykażemy, że odpowiedź jest pozytywna np. dla wszystkich funkcji ciągłych określonych na przedziale. Notacja Tradycyjne oznaczenie na funkcję pierwotną, czyli całkę nieoznaczoną, to f(x)dx. c 2 To oznaczenie ma bardzo wiele wad. Np. napis f(x)dx nie oznacza jednej funkcji, tylko całą ich klasę nie bardzo wiadomo zatem jak się tym posługiwać. Można by to na siłę uściślić i wprowadzić rozmaite operacje np. dodawanie dla tego typu klas funkcji. Nie będziemy jednak tu tego robić i zgodnie z tradycją będziemy raczej traktować całkę nieoznaczoną prawie tak jak funkcję pamiętając, że to tak naprawdę cała ich klasa. Pomimo wad, ta notacja posiada też nieco zalet, o których wspomnimy później. 08 [VII.]
Trudności z rachunkami Jak juz wspomnieliśmy, można wykazać istnienie funkcji pierwotnej dla dobrych funkcji. Jednak z praktycznego rachunkowego punktu widzenia ważne jest pytanie: jak obliczyć całkę nieoznaczoną z funkcji zadanej elementarnym wzorem? Czy można zrobić to tak samo łatwo, jak w przypadku różniczkowania? Odpowiedź brzmi: NIE! Przypomnijmy, że w przypadku różniczkowania mieliśmy po pierwsze wzory na pochodną podstawowych funkcji elementarnych a po drugie wzory rachunkowe na pochodną sumy, złożenia i iloczynu. I to właśnie gwarantowało nam możliwość praktycznego różniczkowania dowolnie skomplikowanych funkcji elementarnych. Co zatem mamy do dyspozycji w przypadku całkowania? Właściwie tylko to, co da się wywnioskować z wyżej wspomnianych wzorów dotyczących różniczkowania, niejako poprzez ich odwrócenie. Kilka odgadniętych całek A zatem np. konsekwencją wzorów na pochodną podstawowych funkcji elementarnych oraz faktu ze strony 08 są umieszczone w poniższej tabeli wzory na całki. Zawiera ona wzory opisujące funkcję i (obok) ogólną postać jej funkcji pierwotnej (n, k oznaczają tu dowolną liczbę całkowitą, natomiast C, C, C k dowolną liczbę rzeczywistą ( stałą )). f(x) f(x)dx x α ;(x>0,α ) lub (x R, α N) α+ xα+ + C { { x α ; x 0, α Z α+ xα+ gdy α ln x gdy α = + C dla x<0 C 2 dla x>0 e x ; x R e x + C a x a ; x R, a>0 x + C ln a sin x; x R cos x + C cos x; x R sin x + C tg 2 x + = ; x n π + π tg x + C cos 2 x 2 k dla x (k π π; k π + π) 2 2 ctg 2 x + = ; x n π ctg x + C sin 2 x k dla x (k π;(k + ) π) x 2 ; x ( ; ) arcsin x + C oraz arccos x + C Liniowość całkowania +x 2 ; x R arctg x + C oraz arcctg x + C Niech teraz F, G będą odpowiednio funkcjami pierwotnymi funkcji f i g. Jako konsekwencję wzoru na pochodną sumy otrzymujemy oczywiście, że F + G jest funkcją pierwotną f + g. Podobnie, gdy a R, to a F jest funkcją pierwotną a f. W zapisie tradycyjnym fakty te przedstawia się tak: (f + g)(x)dx = f(x)dx + g(x)dx, (a f)(x)dx = a f(x)dx. Podkreślam jednak znów, że powyższe wzory wymagają uściśleń (a ich całkiem ścisła wersja, to właśnie zdanie je poprzedzające). Całkowanie przez części Z kolei natychmiastową konsekwencją wzoru na pochodną iloczynu dwóch funkcji jest fakt poniższy. Fakt (o całkowaniu przez części ). Jeśli f oraz g są różniczkowalne oraz H jest funkcją pierwotną funkcji f g, to f g H jest funkcją pierwotną f g. 09 [VII.2]
Dowód. (f g H) = f g + f g f g = f g. Tradycyjny nieformalny zapis tego faktu ma postać: f(x) g (x)dx = f(x) g(x) f (x) g(x)dx. Całkowanie przez podstawienie Wreszcie, odwrócenie 09) postać następującą: twierdzenia o pochodnej złożenia (twierdzenie V. punkt b)) ma Fakt 2 (o całkowaniu przez podstawienie ). Jeżeli g jest różniczkowalna i F jest funkcją pierwotną f, to F g jest funkcją pierwotną do (f g) g 0). Dowód. (F g) =(F g) g =(f g) g. W zapisie tradycyjnym można by to przedstawić tak: f(g(x)) g (x)dx = f(y)dy, gdzie y = g(x). (VII.) Zalety dx-ów I właśnie przy tym wzorze objawia się główna zaleta owego dziwacznego tradycyjnego oznaczenia funkcji pierwotnej, a szczególnie jego tajemniczego zakończenia dx. Ma to bezpośredni związek z innym tradycyjnym oznaczeniem na pochodną. Wspominaliśmy już o zapisie g = dg. Można pójść jeszcze dalej skoro y = g(x), to zapiszmy nieformalnie dx g (x) = dy dx i potraktujmy powyższy zapis tak jak ułamek. Wówczas pod z lewej strony wzoru ((VII.)) uzyskamy: f(y) dy dx = f(y)dy, czyli wyrażenie znajdujące się pod dx ze strony prawej. Ta mocno podejrzana manipulacja prowadzi na szczęście do całkiem ścisłego i prawdziwego wyniku opisanego w sformułowanym przed chwilą fakcie 2. Tak więc przy praktycznych rachunkach można posługiwać się tego typu skracaniem dx-ów, pod warunkiem jednak, że zachowuje się pełną świadomość jak to skracanie zastąpić ścisłą argumentacją z faktu o całkowaniu przez podstawienie. Czego nam brak, co mamy Wprawę w posługiwaniu się poznanymi tu wzorami zdobędziecie Państwo na ćwiczeniach. Teraz powrócimy natomiast do pytania o całkowanie funkcji elementarnych. To, czego nam brakuje najbardziej dotkliwie, to chyba wzory na całkę iloczynu i na całkę złożenia. Zamiast tego mamy pewne szczególne namiastki. Wzór na całkowanie przez części pozwala nam na scałkowanie tylko iloczynu postaci f g i to tylko wtedy, gdy umieliśmy scałkować f g. Z kolei wzór na całkowanie przez podstawienie umożliwia scałkowanie nie samego złożenia f g ale tylko funkcji (f g) g (ale za to nie musimy umieć całkować g wystarczy, że umiemy zrobić to dla f). Wszystko to sprawia, że całkowanie jest w praktyce znacznie trudniejsze niż różniczkowanie. Ale też znacznie ciekawsze! To trochę jak rozwiązywanie 09) To inne odwrócenie niż wtedy, gdy mowa o twierdzeniu odwrotnym (czyli związanym z implikacją w stronę przeciwną niż w danym twierdzeniu). 0) Oczywiście zakładamy, że złożenie f g (a zatem automatycznie też F g) jest określone. 0 [VII.3]
łamigłówek... No i tak jak należało się spodziewać, czasem nawet dla dość prostych funkcji, praktyczne scałkowanie poprzez zapisanie całki jako funkcji elementarnej bywa po prostu niewykonalne... Jeden z bardziej znanych przykładów to całka e (x2) dx ). Całkowanie funkcji wymiernych Nie da się więc scałkować wszystkiego, co chcieliśmy. Ale coś jednak scałkować się da. Przez kilkaset (około 200) lat wymyślono wiele metod radzenia sobie z różnymi typami całek. Jeden z najważniejszych takich typów to całki z funkcji wymiernych. Możliwość ich wyliczenia jest ważna nie tylko sama dla siebie. Wiele innych typów całek można sprowadzić właśnie do całek z funkcji wymiernych. Rozważmy więc funkcję wymierną f : D R, f(x) = w(x), gdzie w i v są wielomianami, v(x) deg v oraz D = R \ D 0, gdzie D 0 jest zbiorem (skończonym) wszystkich pierwiastków rzeczywistych wielomianu v. Aby wyliczyć f(x)dx postępujemy następująco. Etap. (dzielenie z resztą) Zapisujemy f(x) jako u(x)+ r(x), gdzie w(x) =u(x) v(x)+r(x), v(x) u, r wielomiany i deg r<deg v. Ponieważ wyliczenie u(x)dx jest proste (patrz tabela) zatem dalej wystarczy zająć się r(x) dx. v(x) Etap 2. (rozkład na ułamki proste) Wielomian v można (jak wiadomo z algebry) rozłożyć na iloczyn tzw. wielomianów nierozkładalnych (stopnia lub 2), tzn. v(x) =α (x x ) k (x x s ) ks (p (x)) l (p t (x)) lt, (VII.2) gdzie α R, x,..., x s różne parami pierwiastki wielomianu v, p,..., p t różne parami wielomiany 2-go stopnia postaci p j (x) =(x y j ) 2 + z 2 j, j =,..., t, gdzie y j,z j R i z j 0 oraz k,..., k s,l,..., l t N. 2) Znany algebraiczny fakt mówi, że w tej sytuacji funkcja wymierna zadana wzorem r(x) (dla v(x) deg r<deg v) jest sumą pewnej liczby ułamków prostych, tzn. funkcji wymiernych, z których każda opisana jest wzorem postaci A lub Ax + B (x x j ) k (p i (x)) l gdzie A, B R, j =,..., s, i =,..., t oraz k, l N, k k j natomiast l l j. W praktyce znalezienie rozkładu na taką sumę sprowadza się łatwo do rozwiązania pewnego układu równań ( liniowych ). Etap 3. (całkowanie ułamków prostych) Pozostaje więc scałkować każdy z ułamków prostych. W pierwszym wystarczy po podstawieniu y = x x j zajrzeć do tabeli całek (funkcja potęgowa z wykładnikiem k). Z drugim jest troszkę trudniej. Najpierw zauważmy, że Ax + B (p i (x)) l = A 2 p i(x) B + (p i (x)) l (p i (x)) l ) Dowód, że e (x2) dx nie jest funkcją elementarną to rzecz zupełnie nie trywialna... 2) Przy czym oczywiście w rozkładzie (VII.2) część z iloczynem (x x j ) kj lub część z iloczynem (p (x) j ) lj może się okazać pusta. [VII.4]
dla pewnego B R. Pierwszy z tych składników łatwo scałkować przez podstawienie y = p i (x). Drugi przez pewne podstawienie afiniczne (tzn. y = ax + b, ale z jakimi a, b?) łatwo sprowadzić do całki z funkcji zadanej wzorem (x 2 + ) l, na którą można znaleźć wzór rekurencyjny po l (zadanie VII.3), a dla l = całkowanie daje funkcję arctg (patrz tabela). x 5 +2x 4 +4x 3 +7x 2 +3x +2 Przykład. Znajdź dx (na dziedzinie D = R \ D x 4 +2x 3 +3x 2 0, gdzie D 0 +4x +2 zbiór pierwiastków rzeczywistych wielomianu z mianownika). Niech f oznacza powyższą funkcję podcałkową. Mamy dla x D f(x) =x + x 3 +3x 2 + x +2 (x 3 + x 2 +2x + 2)(x + ) = x + x3 +3x 2 + x +2 (x 2 + 2)(x + ). 2 A zatem możliwe są następujące postaci ułamków prostych w rozkładzie drugiego składnika: Ax + B x 2 +2, Zachodzi zatem D 0 = { } oraz dla x D C (x + ) 2, C x + x 3 +3x 2 + x +2 (x 2 + 2)(x + ) = Ax + B 2 x 2 +2 + C (x + ) + C 2 x + = = (Ax + B)(x + )2 + C(x 2 + 2) + C (x 2 + 2)(x + ) (x 2 + 2)(x + ) 2, a stąd dla x D licznik prawej i lewej strony muszą być równe, zatem równe muszą być kolejne współczynniki przy x 3, x 2, x, x 0, tzn. =A + C 3=B +2A + C + C =A +2B +2C 2=B +2C +2C. Otrzymaliśmy więc układ czterech równań liniowych z czterema niewiadomymi, który łatwo rozwiązujemy i otrzymujemy rozwiązanie: A =, B = 0, C =, C =0 Stąd ostatecznie f(x)dx = xdx + x x 2 +2 dx + = 2 x2 + 2 ln(x2 + 2) x + + (x + ) dx = 2 2 x2 + 2 { c dla x< c 2 dla x> 2x x 2 +2 dx + (x + ) 2 dx = gdzie c i c 2 są dowolnie dobranymi stałymi. Podsumowując, jesteśmy w stanie wyliczyć całkę z każdej funkcji wymiernej, dla której potrafimy znaleźć explicite rozkład postaci (VII.2) dla jej mianownika. 2 [VII.5]
Zastosowanie całek z funkcji wymiernych do innych typów całek Jednym z typów całek, które sprowadzają się do całkowania funkcji wymiernych są całki postaci W (sin x, cos x)dx, gdzie W jest ilorazem dwóch wielomianów dwóch zmiennych 3). Wówczas dla ustalonego n Z dla x ((2n )π; (2n + )π) można użyć podstawienia t = tg( x 2 ). Nietrudno ze wzorów trygonometrycznych wyliczyć, że wówczas cos x = t2 2t, sin x = +t2 +t. 2 Ponadto dt dx = +t2 2 (t traktujemy tu jako funkcję zmiennej x ). W efekcie użycie całkowania przez podstawienie sprowadzi więc problem do obliczenia pewnej całki z funkcji wymiernej ( zmiennej t ). Zachęcam zarówno do sprawdzenia podanych wyżej wzorów (zad. VII.4) oraz do szczegółowego prześledzenia tego, jak należy tu użyć ścisłego faktu o całkowaniu przez podstawienie. Inny przykład zastosowania całek z funkcji wymiernej to całki zawierające tzw. niewymierności stopnia drugiego, tzn. wyrażenia postaci ax 2 + bx + c. Warto wiedzieć, że istnieją różne podstawienia, w tym tzw. podstawienia Eulera, które mogą sprowadzić takie całki także do całek z pewnych funkcji wymiernych. Całka oznaczona Na zakończenie tego podrozdziału zajmiemy się (wbrew jego tytułowi) całką oznaczoną. Nazwa nieoznaczona dla rozważanej tu dotąd całki jest być może związana z niejednoznacznością wyboru funkcji pierwotnej. W przypadku jednak gdy funkcja f jest określona na przedziale, niejednoznaczność ta jak widzieliśmy (fakt, strona 09) jest niewielka. Jeśli zatem f : I R, gdzie I przedział, posiada funkcję pierwotną F, oraz a, b I, to liczbę F (b) F (a) nazywamy całką oznaczoną od a do b z funkcji f i zapisujemy ją symbolem b a f(x)dx (a zatem może jednak nazwa nieoznaczona wzięła się z braku owych a i b w oznaczeniu całki?). Istotne jest to, że ta definicja jest poprawna w tym sensie, że rzeczywiście liczba powyższa zależy jedynie od f, a oraz b natomiast nie zależy od wyboru samej funkcji pierwotnej. Dodanie bowiem ew. stałej do funkcji F nie wpływa na wartość obliczanej różnicy. Uwaga. Dla dowolnego a I funkcja ϕ : I R zadana wzorem ϕ(x) = x a f(s)ds jest zatem funkcją pierwotną f. Ponadto ϕ(a) = 0. Czasami jest wygodniej posługiwać się taką konkretną zaczepioną w punkcie a funkcją pierwotną f niż bliżej nie sprecyzowaną całką nieoznaczoną z f. 3) Wielomian dwóch zmiennych to suma skończonej liczby funkcji zadanych wzorami postaci Cx k y l, gdzie C R, k, l N 0 (x, y oznaczają zmienne). 3 [VII.6]
Całkowanie przez części i podstawienie ponownie Wzory na całkowanie przez części i podstawienie, które zapisane przy użyciu symbolu całki nieoznaczonej były niezbyt ścisłe, mają swoje odpowiedniki tym razem ścisłe w 00% także dla całek oznaczonych. Bezpośrednio z definicji całki oznaczonej, z faktów i 2 ze strony 09 otrzymujemy następujące rezultaty. Zdefiniujmy symbol [h(x)] b a: [h(x)] b a := h(b) h(a). Fakt (Wzór na całkowanie przez części dla całki oznaczonej). Jeżeli I przedział, a, b I, f, g : I R oraz g jest różniczkowalna i f g posiada funkcję pierwotną, to b a f(x) g (x)dx =[f(x) g(x)] b a b a f (x) g(x)dx. (VII.3) Fakt 2 (Wzór na całkowanie przez podstawienie dla całki oznaczonej). Jeżeli I, J przedziały, a, b I, g : I J, f : J R oraz g jest różniczkowalna i f posiada funkcję pierwotną, to b a f(g(x)) g (x)dx = g(b) g(a) f(x)dx. 4) (VII.4) Jak się już wkrótce okaże całka oznaczona jest nie tylko wygodna, ale ma też bardzo ważną interpretację geometryczną. 2. Całka Riemanna Pole pod wykresem funkcji Zajmiemy się tu pojęciem całki zupełnie innej (przynajmniej na poziomie definicji) niż całka oznaczona i nieoznaczona zdefiniowane w poprzednim podrozdziale. Naszym celem będzie określenie dla funkcji f :[a; b] R takiej liczby, której wartość w przypadku funkcji nieujemnej można by interpretować jako pole powierzchni obszaru pomiędzy wykresem f a osią X, a w przypadku ogólnym pole to byłoby liczone z uwzględnieniem znaku dla tych fragmentów wykresu, które są poniżej osi X (patrz rys. 5). a + + b Rysunek 5. Całka Riemanna to pole między wykresem a osią X z uwzględnieniem znaku. Gdyby z góry założyć np. ciągłość f, sprawa byłaby dość łatwa. My jednak będziemy nieco ambitniejsi spróbujemy podać odpowiednią definicję, która mogłaby mieć szersze zastosowanie. 4) Może niektórych dziwi lub wręcz bulwersuje użycie po prawej stronie wzoru zmiennej x, podczas gdy w wersji nieoznaczonej było tam y, gdzie y = g(x) (a zatem na ogół y x... ), jednak tu dla całki oznaczonej ten problem już nie istnieje. Możemy użyć jako zmienną x, y, s, t i inne litery. To nie ma żadnego wpływu na wartość liczby, którą w efekcie otrzymujemy z prawej strony wzoru. 4 [VII.7]
Podział przedziału, suma górna, suma dolna Potrzebne nam będzie zatem parę pomocniczych definicji i oznaczeń. Podziałem przedziału [a; b] nazwiemy dowolny ciąg skończony (x 0,..., x m ) taki, że x 0 = a; x m = b oraz x j x j dla j =,..., m. Takie podziały będziemy oznaczać jedną literą, np. P, a zbiór wszystkich możliwych podziałów P przedziału [a; b] oznaczmy przez P. Dla funkcji ograniczonej f :[a; b] R oraz dla P =(x,..., x m ) P definiujemy sumę górną i sumę dolną dla f i P odpowiednio wzorami: m Ŝ(f, P ) := (x j x j ) sup f(t); j= t [x j ;x j ] m Š(f, P ) := (x j x j ) inf f(t). t [x j= j ;x j ] Dzięki ograniczoności f obie sumy są poprawnie zdefiniowanymi liczbami rzeczywistymi i mają sens geometryczny najlepszego przybliżenia szukanego pola od góry lub odpowiednio od dołu przez sumę pól prostokątów (z uwzględnieniem znaku) o podstawach wyznaczonych przez podział P (patrz rysunek 6). + + a = x 0 x x 2 b = x 3 Rysunek 6. Suma górna. Całka górna i dolna Nietrudno zauważyć, że biorąc drobniejszy podział (tj. dokładając dodatkowe punkty do danego podziału) ewentualnie możemy zmniejszyć sumę górną, a sumę dolną zwiększyć (lub pozostaną one niezmienione). Wydaje się więc, że sensownie byłoby określić szukane przez nas pole jako inf Ŝ(f, P ), (VII.5) P P jednak czemu nie wziąć równie dobrej liczby sup Š(f, P )? P P (VII.6) Ponieważ obie metody wydają się dobre, ale nie wiemy, czy prowadzą do tego samego wyniku zatem postąpimy ostrożnie: liczbę określoną wzorem (VII.5) nazwijmy całką górną, a wzorem (VII.6) całką dolną z funkcji f. Oznaczmy je odpowiednio symbolami ˆ f, ˇ f. Z pewnością zachodzi nierówność ˇ ˆ f f (VII.7) 5 [VII.8]
Jeśli bowiem rozważymy dowolne podziały P i P 2 przedziału [a; b] to biorąc podział P powstały przez połączenie P i P 2 (ścisłą definicję tego połączenia pozostawiam Państwu... ), a więc podział drobniejszy niż P i P 2, dostajemy Š(f, P ) Š(f, P ) Ŝ(f, P ) Ŝ(f, P 2) skąd (VII.7) wynika łatwo z definicji kresów (patrz np. zad. I.9). Nie ma jednak powodu, by w (VII.7) zachodziła równość bez jakiś dodatkowych założeń o f. Całkowalność i całka w sensie Riemanna Zatem, dla dowolnej ograniczonej funkcji f :[a; b] R przyjmujemy następującą definicję. Definicja. Funkcja f jest całkowalna w sensie Riemanna wtw ˆ f = ˇ f. Jeśli f jest całkowalna w sensie Riemanna, to wspólną wartość jej całki górnej i dolnej nazywamy całką Riemanna funkcji f (na [a; b]) i oznaczamy symbolem f lub f(x)dx. Klasę wszystkich funkcji całkowalnych w sensie Riemanna będziemy tu oznaczać przez R, a gdy będzie nam zależało na podkreśleniu, że chodzi o funkcję określoną na [a; b], będziemy używać symbolu R([a; b]). Dwa skrajne przykłady Zanim zajmiemy się ogólnymi wynikami dotyczącymi całkowalności i całki przyjrzyjmy się następującym skrajnie różnym z punktu widzenia tej teorii sytuacjom. Przykłady. a. Funkcja stała: f c, c R. Wówczas niezależnie od wyboru P zachodzi Ŝ(f, P )= c (b a) =Š(f, P ), więc całka górna i dolna równe są c (b a). Zatem f Ri f(x)dx = c (b a). 2. Funkcja Dirichleta. Gdy f jest obcięciem funkcji Dirichleta do przedziału [a; b] (patrz przykład ze strony 54), to dla dowolnego P mamy Ŝ(f, P )=(b a) oraz Š(f, P ) = 0. Zatem f R, o ile b>a. Całkowalność funkcji ciągłych Czas wreszcie na jakieś pozytywne twierdzenie o całkowalności w sensie Riemanna. Twierdzenie VII. (o całkowalności funkcji ciągłych). Funkcja ciągła określona na przedziale domkniętym jest całkowalna w sensie Riemanna (tzn. C([a; b]) R([a; b])). Zanim przystąpimy do dowodu, wykażemy pomocny lemat. Najpierw dla dowolnego podziału P =(x 0,..., x m ) przedziału [a; b] zdefiniujmy średnicę podziału P, oznaczaną przez P, jako długość najdłuższego odcinka z podziału P, tzn. P := max j=,...,m (x j x j ). Lemat. Jeżeli f :[a; b] R jest ciągła oraz {P n } jest ciągiem podziałów przedziału [a; b], dla którego P n 0, to Ŝ(f, P n) Š(f, P n) 0 Dowód (lematu). Niech b > a i ɛ> 0. Na mocy jednostajnej ciągłości f (patrz tw. IV.) wybierzmy δ> 0 taką, że jeżeli y, z [a; b] oraz y z <δ, to f(y) f(z) < ɛ b a. (VII.8) 6 [VII.9]
Niech N będzie takie, że dla n N zachodzi P n <δ. Ustalmy dowolne n N. W szczególności więc (VII.8) zachodzi dla dowolnych y i z leżących w przedziale pomiędzy sąsiednimi punktami podziału P n. Jeżeli P n =(x 0,..., x m ) oraz j {,..., m}, to z twierdzenia Weierstrassa o osiąganiu kresów (tw. IV.0) sup x [xj ;x j ] f(x) =f(y j ) oraz inf x [xj i ;x j ] f(x) =f(z j ) dla pewnych y j,z j [x j,x j ], przy czym ponieważ n N, zatem na mocy powyższych rozważań f(y j ) f(z j ) < ɛ b a. A zatem mamy m 0 Ŝ(f, Pn) Š(f, P n)= (f(y j ) f(z j ))(x j x j ) < j= ɛ b a m (x j x j )= ɛ =ɛ. j= b a (b a) Dowód (twierdzenia VII.). Rozważmy jakikolwiek ciąg podziałów {P n } taki, że P n 0 (np. P n może być podziałem na równe części o długości b a ). Na mocy definicji całki górnej i dolnej oraz na mocy (VII.7) n mamy oczywiście ˇ ˆ Š(f, P n ) f f Ŝ(f, P n) (VII.9) dla dowolnego n. A stąd 0 ˆ f ˇ f Ŝ(f, P n) Š(f, P n), więc na mocy lematu oraz twierdzenia o trzech ciągach ˆ f = ˇ f Twierdzenie odwrotne do twierdzenia VII. nie jest prawdziwe, tzn. nie każda funkcja całkowalna w sensie Riemanna musi być ciągła (patrz np. zad. VII.5). Jednak można wykazać twierdzenie, które mówi, że f R wtw f jest ograniczona i jej zbiór punktów nieciągłości jest mały 5) (przypominam także, że całkowalność w sensie Riemanna dotyczy wyłącznie funkcji określonych na przedziałach domkniętych). Przy czym mały jest np. dowolny zbiór skończony, ale także dowolny zbiór przeliczalny. Aproksymacja sumami Riemanna Udowodnimy teraz przydatne twierdzenie dotyczące aproksymowania całki z funkcji ciągłej tzw. sumami Riemanna. Jeżeli P =(x 0,..., x m ) jest podziałem przedziału [a; b], to sumą Riemanna dla f i P nazywamy dowolną liczbę, którą można przedstawić w postaci dla pewnych y j [x j ; x j ], j =,..., m. m f(y j )(x j x j ) j= Twierdzenie VII.2 (o sumach Riemanna). Jeżeli f :[a; b] R jest ciągła, {P n } jest ciągiem podziałów [a; b] o średnicach zbieżnych do 0 oraz S n jest pewną sumą Riemanna dla f i P n dla n n 0, to S n f. Dowód. Na mocy definicji sumy górnej i dolnej dla f i P n mamy oczywiście Š(f, P n ) S n Ŝ(f, P n). (VII.0) 5) Ściślej, mały to zbiór o mierze Lebesgue a równej 0, ale o tym pojęciu powiemy dopiero w rozdziale X. 7 [VII.0]
Jednocześnie na mocy całkowalności f (z twierdzenia VII.) i z definicji całki oraz całki górnej i dolnej (patrz np. (VII.9)) mamy też Š(f, P n ) f Ŝ(f, P n) (VII.) Z (VII.0) i (VII.) otrzymujemy f S n Ŝ(f, P n) Š(f, P n), skąd na mocy lematu i twierdzenia o trzech ciągach uzyskujemy tezę. Uwaga. Twierdzenie powyższe pozostanie prawdziwe, jeśli ciągłość f zastąpimy jej całkowalnością w sensie Riemanna (dowód jednak będzie trudniejszy... ). Warto zwrócić uwagę, że twierdzenie VII.2 daje możliwość znajdowania przybliżonych wartości całek. Niestety, bez żadnych gwarancji dotyczących wielkości błędu. Warto też wiedzieć, że istnieją twierdzenia, które podają oszacowania błędu przy przybliżaniu sumami Riemanna lub innymi sumami podobnego rodzaju, przy dodatkowych założeniach dotyczących np. regularności funkcji. Kilka własności całki Riemanna Całka Riemanna posiada kilka intuicyjnie naturalnych własności, które zostały zebrane poniżej. Przyjmijmy jeszcze dla wygody następującą notację: jeżeli f : D R oraz [a; b] D i f R, to f := f. Twierdzenie VII.3 (o własnościach całki Riemanna). a. (liniowość) Jeżeli f, g R([a; b]), ic R, to c f, f + g R([a; b]) oraz (f + g) = f + g, (c f) =c 2. (monotoniczność) Jeżeli f, g R([a; b]) oraz x f(x) g(x), to f g. 3. (addytywność względem przedziału) Jeżeli f R([a; b]) oraz a c b, to f [a;c],f [c;b] R oraz f + f = f. [a;c] Punkt 2 wynika natychmiast z definicji całki górnej (lub dolnej) oraz z własności kresów. Pozostałe punkty są może nie tyle trudne, ale żmudne w dowodzie i dlatego, z konieczności, ich dowód pomijamy. Podstawe twierdzenie rachunku całkowego Twierdzenie zwane podstawowym twierdzeniem rachunku całkowego (p.t.r.c.) 6), które teraz sformułujemy, ma kluczowe znaczenie dla teorii całki Riemanna. Wiąże ono bowiem całkę Riemanna z całką oznaczoną, a jednocześnie, dzięki temu związkowi, daje praktyczną możliwość obliczania wielu całek Riemanna, bez konieczności posługiwania się definicją (czy ewentualnie twierdzeniem VII.2). 6) Niektórzy nazywają je: podstawowe twierdzenie rachunku różniczkowego i całkowego i właściwie słusznie... [c;b] f. 8 [VII.]
Twierdzenie VII.4 (p.t.r.c.). Niech f : [a; b] R będzie funkcją ciągłą i zdefiniujmy F :[a; b] R wzorem F (x) = f(t)dt [a;x] dla x [a; b]. Wówczas F jest funkcją pierwotną funkcji f. Wniosek. Jeżeli f :[a; b] R ciągła, to f(x)dx = b a f(x)dx. Dowód (wniosku). Z twierdzenie VII.4 i z definicji całki oznaczonej mamy b a f(x)dx = F (b) F (a) = f [a;a] f = f(x)dx. f F (x) a x b Rysunek 7. Sens geometryczny liczby F (x) z tw. VII.4. Dowód (twierdzenia VII.4). Niech x 0 [a; b) i niech ɛ> 0. Ponieważ f jest ciągła w x 0, zatem dobierzemy δ> 0 takie, że b > x 0 + δ oraz dla t [a; b] spełniających t x 0 <δ zachodzi f(x 0 ) ɛ < f(t) <f(x 0 )+ɛ Jeżeli zatem 0 < h < δ, to dla t [x 0 ; x 0 + h] nierówności powyższe zachodzą, więc na mocy twierdzenia VII.3 pkt. 2 możemy scałkować je stronami i korzystając z przykładu ze strony 6 otrzymujemy h(f(x 0 ) ɛ) f(t)dt h(f(x 0 )+ɛ). (VII.2) [x 0 ;x 0 +h] Z drugiej strony, iloraz różnicowy dla F można na mocy twierdzenia VII.3 pkt. 3 zapisać następująco: F (x 0 + h) F (x 0 ) = f(t)dt. h h [x 0 ;x 0 +h] Zatem dzięki (VII.2), dla 0 < h < δ mamy f(x 0 ) ɛ F (x 0 + h) F (x 0 ) h f(x 0 )+ɛ. Wykazaliśmy więc, że F +(x 0 ) = f(x 0 ) i analogicznie dowodzi się, że F (x 0 ) = f(x 0 ) dla x (a; b]. Pewna grupa twierdzeń dotyczących całkowania nosi wspólną nazwę twierdzenia o wartości średniej (tym razem dla całek). Zajmiemy się tu tylko najprostszym z nich. Zakładamy, że b>a. Twierdzenie VII.5 (o wartości średniej). Jeżeli f :[a; b] R jest ciągła, to istnieje c (a; b) takie, że f(x)dx = f(c) (b a). Uwaga. Geometryczny sens tego twierdzenia jest taki, że dla pewnej wartości f(c) funkcji f pole prostokąta o podstawie na odcinku [a; b] i wysokości f(c) pokrywa się z polem pomiędzy osią X a wykresem f (patrz rysunek 8). 9 [VII.2]
f f(c) a c b Rysunek 8. Dobór c w tw. VII.5 powinien być taki, by zaznaczone pola miały równe wartości. Dowód. Jeśli F funkcja z twierdzenia VII.4, to na mocy twierdzenia Lagrange a o wartości średniej (tw. V.4) oraz na mocy twierdzenia VII.4 mamy dla pewnego c (a; b). 3. Całki niewłaściwe f(x)dx b a = F (b) F (a) b a = F (c) =f(c) Jak całkować funkcje określone nie na domkniętych przedziałach Całkowanie w sensie Riemanna było z definicji wykonalne tylko dla funkcji całkowalnych w sensie Riemanna. A zatem, w szczególności, dziedzina całkowanej funkcji musiała być przedziałem domkniętym (więc między innymi o skończonej długości), a sama funkcja ograniczona. Obecnie pokażemy jak można rozszerzyć pojęcie całki tak, by objąć także niektóre przypadki, gdy powyższe warunki spełnione nie są. Posłuży do tego właśnie pojęcie całki niewłaściwej 7). Sam pomysł jest bardzo prosty i w swojej istocie bardzo przypomina pomysł, który posłużył przy definicji sumy szeregu. Niech f :[a; b) R gdzie b>a, przy czym b =+ lub b R. W obu sytuacjach całka Riemanna z f nie jest poprawnie zdefiniowana. Załóżmy jednak, że r [a;b) f [a;r] R. (VII.3) Definicja. Jeżeli istnieje lim f, to granicę tę nazywamy całką niewłaściwą z f (po r b [a;r] przedziale [a; b)) i oznaczamy ją symbolem b a f(x)dx 8). Mówimy, że powyższa całka (niewłaściwa) jest zbieżna wtw granica ta istnieje i jest skończona 9). Całki niewłasciwe I i II rodzaju oraz niewłaściwe prawostronnie, lewostronnie i mieszane Tradycyjnie, gdy b =+ mówi się o całce niewłaściwej I rodzaju, a gdy b R II rodzaju. Opisana tu sytuacja dotyczy niewłaściwości prawostronnej, tzn. sytuacji gdy f nie jest 7) Proszę nie mylić z całką nieoznaczoną! 8) A zatem tak jak całkę oznaczoną, co jednak nie powinno prowadzić do nieporozumień. 9) W wypadku przeciwnym (granica nie istnieje lub jest równa + lub ) mówimy, że całka jest rozbieżna. 20 [VII.3]